基于LPG的船用雙燃料供給系統(tǒng)設(shè)計

孫 瑞

(招商局重工(深圳)有限公司，廣東 深圳 518054)

0 引 言

IMO MARPOL ANNEX VI-《防止船舶污染國際公約》附則VI 強制要求，2020 年1 月1 日起，船用燃料的最大含硫量由3.5%降至0.5%，為適應(yīng)此綠色環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)，系列VLGC 原船上常規(guī)單燃料主機改裝成能使用LPG 的雙燃料主機，方案為在露天甲板設(shè)立2 個900 m3的LPG 儲罐，并新增1 套LPG 供給系統(tǒng)至主機，該系統(tǒng)最低設(shè)計溫度?54℃，需要按照DNVGL 船級社第5 部分第7 章Liquefied gas tankers 要求設(shè)計[1]，并滿足國際海事組織（IMO）的《國際散裝液化氣體船規(guī)則》（IGC 規(guī)則），規(guī)范約束多，設(shè)計難度高。

用液化天然氣（LNG）的雙燃料船，業(yè)內(nèi)已有很多研究并建造或改裝成功，LNG 為環(huán)保型燃料可以大大降低有害的SOX，NOX，PM2.5 污染物，CO2排放物，以適應(yīng)IMO 越來越嚴(yán)的排放法規(guī)[2]。LPG 也是一種替代性環(huán)保燃料，其主要成份是丙烷、丁烷、異丁烷、丙烯等碳?xì)錃怏w混合物，是LNG 生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)品。隨著全球天然氣產(chǎn)量增加，LPG 產(chǎn)量也增加，成本也進(jìn)一步降低，將其用于船用燃料也具有可行性。本文是將其原二沖程主機改成雙燃料主機，即液化氣在氣缸內(nèi)直噴，需要LPG 從儲罐到主機氣缸噴嘴之間一直保持液態(tài)，這是與LNG 燃料必須在蒸發(fā)器先汽化，再通過管路輸送到主機氣缸是不同的工作方式。另外相比LNG 常壓下?162℃的液化溫度，LPG 主要成份丙烷的常壓液化溫度只有?42.1℃，加壓后液化溫度進(jìn)一步提高，對于LPG 的存儲、輸送、處理和使用更具有可行性。因此，針對以丙烷為燃料主要成份，展開一種雙燃料供給原理框架及其節(jié)點配置研究。

1 系統(tǒng)原理框架

根據(jù)船舶大小和主機功率，新增配置2 個900 m3的LPG 儲罐，放置于主甲板，因LPG 汽化后體積是液態(tài)體積的250～350 倍，所以為了攜帶盡量多的能源，增加持續(xù)供給能力，首先考慮怎么讓罐內(nèi)丙烷維持在液態(tài)，這就要先研究儲罐的壓力和溫度設(shè)計，先假設(shè)儲罐暴露在室外，最高設(shè)計溫度為40℃。由圖1 丙烷飽和蒸汽壓溫度曲線可知，對應(yīng)40℃的飽和蒸汽壓力為1.7 MPa，也就是說在溫度40℃時，壓力必須大于1.7 MPa，罐內(nèi)丙烷才會保持液化，否則丙烷將會沸騰汽化，持續(xù)的汽化讓罐內(nèi)壓力上升，直到超出罐體承受壓力極限引起爆炸，這是不允許的。但對船舶來講，在甲板上放置一個容積900 m3、承受內(nèi)壓要大于1.7 MPa 的儲罐，造價是巨大的。首先高壓力容器的設(shè)計導(dǎo)致罐體材料變重讓甲板難以承受，同時材料成本增加，另外高壓力罐體導(dǎo)致其維護(hù)要求和附屬管路儀表的成本也增加。但如果只是設(shè)計成0.5 MPa 的儲罐，按照其絕對壓力0.6 MPa 查圖1，可知其汽化溫度在9℃，也就是說根據(jù)其飽和蒸汽特性，儲罐只要維持在溫度9℃以下，罐內(nèi)壓力設(shè)計在0.5 MPa，丙烷就會維持液態(tài)，壓力不高，可采用較薄壁厚鋼板制作，這樣罐體重量減小，成本較低，經(jīng)濟性較佳，方案可行。

圖1 飽和蒸汽特性Fig.1 Saturated steam characteristics

IGC MSC 93/22/Add.1 Annex 6 要求[3]，液貨燃料供給系統(tǒng)必須至少配置隔離閥，安全釋放裝置，釋放緩沖裝置，通風(fēng)系統(tǒng)，惰性氣體吹除，壓力溫度指示，液貨加溫冷卻等功能，結(jié)合儲罐的設(shè)計和丙烷飽和蒸汽特性，再對比圖2 的常規(guī)燃料供給系統(tǒng)圖，提出一種原理框架如圖3 所示。首先將單燃料發(fā)動機改成雙燃料發(fā)動機，然后新增一套LPG 燃料供給系統(tǒng)給主機。根據(jù)主機要求，供給管路在高壓單元后至主機前工作壓力為5.3 MPa，工作溫度為35±10℃。新增系統(tǒng)將由儲罐輸送管路，高壓單元，分配控制閥組，透氣桅1，透氣桅2，雙壁管等部分組成，可輸送低燃點的石油氣，使其保持在液化狀態(tài)直到發(fā)動機氣缸噴嘴才釋放汽化，然后燃燒驅(qū)動發(fā)動機活塞做功[4]。

圖2 常規(guī)燃油供給系統(tǒng)Fig.2 Conventional fuel supply system

圖3 系統(tǒng)原理和框架Fig.3 System principle and framework

LPG 供應(yīng)工藝流程為，儲罐輸送管路→高壓單元→分配控制閥組（供應(yīng)閥組）→雙壁管→雙燃料發(fā)動機→雙壁管→分配控制閥組（回流閥組）→高壓單元（泵入口）。

其功能設(shè)定為，儲罐輸送管路將儲罐內(nèi)的LPG 輸送至高壓單元，進(jìn)一步增壓調(diào)溫并過濾保持必要的清潔度，再輸送至分配控制閥組，分配控制閥組內(nèi)設(shè)供應(yīng)閥組和回流閥組兩部分，其功能設(shè)定為：1）監(jiān)控和控制管路輸送，一旦泄漏應(yīng)急釋放至透氣桅；2）給回液管減壓；3）提供氮氣吹除清理管路中殘留LPG。LPG 從分配控制閥組（供應(yīng)閥組）出來，經(jīng)過雙壁管輸送至雙燃料發(fā)動機，在發(fā)動機氣缸處由電磁閥控制噴嘴噴射量，多余液體通過雙壁管和分配控制閥組（回流閥組）返回高壓單元泵入口，再次加入輸送管循環(huán)利用。工藝流程確認(rèn)后，就該框架內(nèi)的原理節(jié)點和安全控制設(shè)計進(jìn)行具體分析。

2 原理節(jié)點分析和安全控制設(shè)計

根據(jù)圖3 框架和功能要求，各部分進(jìn)行具體配置和設(shè)計。

2.1 儲罐輸送管路

主要功能為儲存和輸送，設(shè)計為由儲罐（G1，G2），深井泵（B1，B2），出口控制閥V4，單向閥V3，V24，安全閥SV1，儲罐安全閥，安全閥釋放管P8，遠(yuǎn)傳壓力表S3 和輸送管路P3 組成，如圖4 所示。功能是將儲罐內(nèi)的LPG 輸送至高壓單元，其功能設(shè)計如下：儲罐設(shè)計壓力0.5 MPa，溫度范圍?54℃至5℃，LPG 以?45℃存儲于儲罐，深井泵B1 從儲罐G1 抽取LPG，輸送至高壓單元，壓力為2.9 MPa，S3 遠(yuǎn)傳壓力表用于檢測管路內(nèi)LPG 壓力，安全釋放閥SV1 設(shè)定在3.2 MPa，一旦泵出口管路P3 壓力超過3.2 MPa，壓力釋放閥SV1 將打開，里面LPG 液體通過管路P8 應(yīng)急釋放到透氣桅2。深井泵B1 儲罐G1 與泵B2 儲罐G2 互為備用。

圖4 儲罐輸送管路Fig.4 Transportation pipeline of storage tank

2.2 高壓單元

主要功能為增壓調(diào)溫過濾，高壓單元的設(shè)計如圖5所示。由高壓泵（B3，B4），濾器（S1，S2），安全閥（SV2，SV3，SV4，SV5），單向閥（V5，V6，V7，V8），三通閥（V9，V10），流量控制閥（V11，V12），遠(yuǎn)傳壓力表（S11），遠(yuǎn)傳溫度表（S4，S5，S10，S12），熱交換器（J1，J2），氮氣緩沖罐（G4），輸送管路（P3，P4），乙二醇管路（P6），氮氣管路（P7），安全閥釋放管（P9）等部分組成。高壓泵將儲罐輸送過來的LPG 進(jìn)一步增壓到5.3 MPa，并通過10μm 級別過濾器（S1，S2）濾除管路中雜質(zhì)，避免堵塞發(fā)動機氣缸噴嘴，三通閥V9，V10 可以切換濾器S1，S2，讓它們互為備用，泵B3，B4 也互為備用。

圖5 高壓單元Fig.5 High pressure unit

1）LPG 輸送過程中需要進(jìn)行調(diào)溫，以滿足發(fā)動機使用溫度35℃±10℃，可以通過乙二醇與LPG 在熱交換器J1，J2 換熱后實現(xiàn)。流程如下：熱乙二醇溶液通過管路P6 進(jìn)入熱交換器J1 將LPG 從?45℃加溫到35℃，此時LPG 在35℃高溫但不會汽化，查圖1 知其飽和蒸氣壓為1.2 MPa，但此刻LPG 從泵B1 出來后壓力在2.9 MPa>1.2 MPa，所以LPG 保持液態(tài)。同時熱的乙二醇溶液與LPG 換熱從39℃冷卻至34.5℃。P3 供給管路35℃的LPG 到達(dá)發(fā)動機后，因通過噴射電磁閥導(dǎo)致其溫度上升到60℃，剩余部分通過回流管路P4 到達(dá)熱交換器J2，再次與P6 管路里從熱交換器J1 過來的乙二醇發(fā)生熱交換，這次LPG 從60℃被冷卻到37℃，冷卻后返回高壓泵（B3，B4）入口，與罐G1，G2 過來的LPG 混合后再次進(jìn)入供給管路P3。同時乙二醇溶液與LPG 換熱從34.5℃被加熱至36℃。熱交換器的熱平衡計算公式為：

式中：Q為換熱量；M為流體質(zhì)量；C為比熱容；T為進(jìn)口溫度；t為出口溫度。

由式(1)可知，調(diào)節(jié)乙二醇的初始溫度T1和流量M1即可將LPG 調(diào)溫至對應(yīng)溫度t2。

2）回液管路P4 上設(shè)置一個緩沖罐G4 支路，其可為回流LPG 提供一個緩沖存儲空間，也可通過氮氣管路P7 進(jìn)行放殘，流量控制閥V11，V12 可分別調(diào)節(jié)在P4 管路和緩沖罐的LPG 流量大小。遠(yuǎn)傳壓力表S11 提供遠(yuǎn)傳指示和報警，安全閥（SV4，SV5）設(shè)定在3.2 MPa，在管路P4 和罐超壓時應(yīng)急開啟，通過管路P8 連接到透氣桅2 排放。

3）儀表S4，S5，S10，S12 提供熱交換器J1，J2進(jìn)出口的溫度遠(yuǎn)傳指示，用于即時監(jiān)控和調(diào)節(jié)LPG 溫度。安全閥SV2，SV3 設(shè)定在6.5 MPa，在高壓泵出口管P3 超壓時應(yīng)急開啟，通過管路P8 到透氣桅2 排放。單向閥（V5，V6，V7，V8）作用是讓流體單向運動，避免回流引起混亂。

4）高壓單元也配置了應(yīng)急安全釋放功能，此部分包含緩沖罐G6，液位計S14，放泄閥V23，排放管P8，透氣桅2 等，其工作方式是在安全釋放閥通過P8 管路應(yīng)急排放時，給予緩沖，收集排放時P8 管路中LPG 汽化不完全時可能存在的液體，避免直接排放到大氣。當(dāng)G6 內(nèi)的液體達(dá)到一定量，觸發(fā)液位開關(guān)S14 報警，則可以通過閥V23 予以放泄和收集。透氣桅的高度按照DNVGL 要求，必須高于主甲板B/3，B為船舶寬度。

2.3 分配控制閥組

按照DNVGL Pt.5 Ch.7 table6 以及IGC 要求，管路輸送過程必須配備控制閥組和安全閥用于燃?xì)獾牟僮骱歪尫牛@是船級社對于LPG 管路的安全性和輸送控制的必備要求。為達(dá)到此要求，在分配控制閥組里特別設(shè)計了過程控制和多級應(yīng)急安全釋放功能（見圖6），具體分為供應(yīng)閥組和回流閥組兩部分，由氣動遙控閥（V13，V14，V15，V16，V17，V18，V19，V20），壓力控制閥V22，遠(yuǎn)傳壓力表（S7，S8），遠(yuǎn)傳溫度計S7，液位開關(guān)S9，供給管P3，回液管P4，應(yīng)急排放管P9，氣控管P10，氣控閥箱G7，氮氣吹除管P11 等組成[5]。

圖6 分配控制閥組Fig.6 Control valve manifold

1）液位壓力監(jiān)控和應(yīng)急釋放功能：通過液位開關(guān)S9 監(jiān)控回液管P4，一旦管路內(nèi)液位異常導(dǎo)致液位開關(guān)S9 報警，即可遙控閥V13，V20 開啟，通過管路P9 應(yīng)急釋放，如不能解決異常，則進(jìn)一步通過遙控閥V14，V15，V16，V17，V18，V19 以應(yīng)急釋放，工作方式為：回液管P4 上關(guān)閉V14，開啟V15，V16 通過管路P9 應(yīng)急排放，供給管P3 上關(guān)閉V18，開啟V17，V19 通過管路P9 應(yīng)急排放。壓力控制閥V22 給回液管P4 減壓，從5.3 MPa 減壓至2.9 MPa，保證回液管重新匯入高壓泵（B3，B4）吸口管P3 時保持與其壓力一致。減壓到2.9 MPa 的LPG 在達(dá)到熱交換器J2 前溫度雖然在60℃，但不會汽化，因查圖1 可知其壓力低于2.1 MPa 才會汽化。儀表S6，S7，S8 提供管路P3，P4 的壓力和溫度遠(yuǎn)傳指示和監(jiān)控，如發(fā)現(xiàn)異常，亦可操作閥組進(jìn)行應(yīng)急釋放操作。

2）氣控閥箱G7 用于遠(yuǎn)程控制閥門（V13，V14，V15，V16，V17，V18，V19，V20），氣控閥箱裝在安全區(qū)域，為船員操作提供安全保障。

3）提供氮氣吹除管P11，用于必要時清理管路中殘留LPG。

4）應(yīng)急排放部分包含緩沖罐G5，液位計S13，放泄閥V21，排放管P9，透氣桅1 等，其功能是在分配控制閥組應(yīng)急釋放時，給予緩沖、收集和排放。此處與安全釋放閥緩沖罐G6，透氣桅2 功能類似。

2.4 雙壁管

針對DNVGL 和IGC 對管路安全性及燃料泄漏的要求[1,3]，參照圖7 和圖8，雙壁管設(shè)計為由內(nèi)管、外管、雙壁管通風(fēng)管（P12，P13）、風(fēng)機F1 和管夾等組成。其工作原理是：1）雙壁管內(nèi)管提供LPG 輸送給雙燃料發(fā)動機A2，多余燃料回流至P4，外管在內(nèi)管泄漏時提供額外防護(hù)，將泄漏控制在內(nèi)外管夾層內(nèi)。2）雙壁管通風(fēng)管P12，P13 用于在內(nèi)外管夾層之間的正壓通風(fēng)，在LPG 由內(nèi)管發(fā)生泄漏至外管時，將汽化的LPG 由風(fēng)機F1 抽到室外安全區(qū)域，P12 為風(fēng)機進(jìn)風(fēng)管，P13 為風(fēng)機出風(fēng)管。3）管夾安裝于內(nèi)管與外管之間，提供支撐和減震作用。4）主要是位于分配控制閥組和雙燃料發(fā)動機A2 之間的P3，P4 管路要采用雙壁管設(shè)計，特別是針對這部分LPG 管通過主機房等機械處所的，要通過雙壁管設(shè)計予以雙層防護(hù)，避免泄漏至主機房而導(dǎo)致整個機械處所甚至全船處于起火甚至巨大的爆炸危險中。

圖7 雙壁管Fig.7 Double wall pipe

圖8 雙壁管構(gòu)造Fig.8 Internal structure of double wall pipe

3 原理完成和設(shè)計要素

以上各原理節(jié)點分析和安全控制設(shè)計確認(rèn)后，再根據(jù)主機參數(shù)確定燃油需求和消耗量，計算出對應(yīng)的管路尺寸和相關(guān)設(shè)備參數(shù)，最后將各節(jié)點按框架在圖3合成，即可完成整個雙燃料供給系統(tǒng)的詳細(xì)原理設(shè)計圖。圖紙必須滿足DNVGL 和IMO IGC 的要求，以下為部分設(shè)計要素[1,3,6–7]：

1）液貨管材料必須采用奧氏體不銹鋼，適合最低設(shè)計溫度?54℃工作；

2）液貨管應(yīng)進(jìn)行抗拉試驗和夏比V 型缺口低溫沖擊試驗，具有DNVGL 發(fā)證的材質(zhì)報告；

3）液貨管必須使用頸焊法蘭，管件使用對焊并對焊縫做100%無損檢測；

4）雙壁管通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)保證具有每小時換氣至少30 次的通風(fēng)能力；

5）雙壁管的布置和管夾支撐點應(yīng)提供應(yīng)力計算報告；

6）高壓單元和分配控制閥組可以做成液化氣供給橇塊（見圖3），集成設(shè)計，便于安裝調(diào)試；

7）按照IGC MSC 93/22/Add.1 Annex 6 要求，在供給系統(tǒng)外必須配置液貨控制系統(tǒng)（見圖9），即在主機房、高壓單元和分配控制閥組等潛在LPG 泄漏區(qū)域安裝氣體探測系統(tǒng)（5ppm），與應(yīng)急關(guān)斷裝置組成聯(lián)動機制，一旦監(jiān)測到燃料泄漏，氣體探測頭觸發(fā)系統(tǒng)聲光報警，即啟動應(yīng)急關(guān)斷裝置，此系統(tǒng)為LPG 安全使用和應(yīng)急釋放提供進(jìn)一步保障[8]。

圖9 液貨控制系統(tǒng)Fig.9 Cargo control system

目前按以上研究過程完成的設(shè)計圖，送審DNVGL 已獲批準(zhǔn)，圖3 的系統(tǒng)原理和模擬框架變成了可執(zhí)行方案，下一步在船廠按圖施工，經(jīng)船檢檢驗通過即完成系統(tǒng)改造，完成從理論設(shè)計到實踐的跨越。

4 存在問題及解決措施

LPG 雙燃料系統(tǒng)的設(shè)計不同于已成熟運用的LNG 雙燃料系統(tǒng)，它很多地方可以借鑒LNG 但又存在如下問題，可作出對應(yīng)設(shè)計來解決。

1）LNG 常壓液化溫度為?162℃，但LPG 只有?42.1℃，兩者飽和蒸汽特性不一樣，解決方法為調(diào)整對應(yīng)儲罐、泵、控制閥組等系統(tǒng)中附件的設(shè)計溫度和其他參數(shù)[9]。

2）LNG 供給主機為氣態(tài)，LPG 設(shè)計為液態(tài)，取消了LNG 系統(tǒng)必備的蒸發(fā)器。

3）LNG 系統(tǒng)供給管的氣態(tài)燃料全部進(jìn)入主機氣缸，不需要設(shè)計回液管，但LPG 有回液管，可回收多余燃料，經(jīng)過減壓降溫后加入高壓單元或儲罐，實現(xiàn)再循環(huán)。

4）LNG 因沒有回液管，只在供給管上設(shè)計了一套氣鎖遙控閥，用于應(yīng)急安全釋放，但LPG 因有回液管，需要增加一套氣鎖遙控閥。

5）LNG 設(shè)計中的乙二醇熱交換系統(tǒng)一般用來給LNG 加溫，但因LPG 有回液管而且需要降溫，剛好可以巧妙利用因給LPG 供給管加溫而被冷卻過的乙二醇溶液給回液管中的LPG 降溫，高效循環(huán)利用乙二醇，一舉兩得。

5 結(jié) 語

1）通過以上設(shè)計可以看出，對LPG 燃料需要根據(jù)其飽和蒸汽特性展開相關(guān)研究，提出原理框架模型，將各節(jié)點分解后再行具體設(shè)計，解決其液化存儲、加壓、調(diào)溫、過濾、應(yīng)急釋放控制等難點要點，使其符合船級社和IMO 要求，就可以設(shè)計出普遍適用于船舶的可執(zhí)行LPG 雙燃料系統(tǒng)。

2）研究中發(fā)現(xiàn)LPG 系統(tǒng)設(shè)計受其成分影響較大，文本只用了100%純丙烷來計算和設(shè)計，但實際上LPG 中隨著丁烷、異丁烷、丙烯等成份的加入和比例的不同，其飽和蒸汽壓是一個影響較大的可變量，另外不同主機廠家的燃料壓力和溫度要求也不同，需要調(diào)整高壓單元、分配控制閥組和熱交換器等設(shè)備的參數(shù)，以保證LPG 達(dá)到對應(yīng)設(shè)計參數(shù)。還有在安全方面要做到任何情況下都要對LPG 有泄漏監(jiān)測和應(yīng)急釋放，來賦予船舶和操作人員足夠的安全防護(hù)，以上都是需要在實踐中不斷深入研究和解決的問題。

3）分析研究LPG 雙燃料系統(tǒng)解決方案，這不同于直接將船用燃油主機置換成LPG/LNG 單燃料主機，也不同于LNG 雙燃料設(shè)計，它是新增一套全新的LPG 供給系統(tǒng)，但又可以直接繼續(xù)使用原燃油系統(tǒng)和主機，2 種燃料可通過電磁閥控制的氣缸噴嘴迅速自由切換，這是全球首創(chuàng)的改造設(shè)計，是分析原理框架的意義所在[9]。

4）按照預(yù)設(shè)的原理和模型，將各框架設(shè)計成不同功能模塊，采用適宜的詳細(xì)節(jié)點配置方案，逐個解決其功能需求，并形成一個完整的可執(zhí)行方案，這種分析研究和設(shè)計理論對有同類型需求的船舶或?qū)砀蟾鼜?fù)雜的船舶都是具有指導(dǎo)意義的。另外，LPG 雙燃料系統(tǒng)的成功設(shè)計，還在以下方面具有實際價值：一是讓主機可以使用LPG 作為燃料，降低船舶運營成本；二是使用LPG 清潔能源，減少有害污染物排放，符合IMO 和各口岸國家的標(biāo)準(zhǔn)；三是雙燃料供給靈活切換，公海使用常規(guī)燃油，近海切換成使用LPG 燃料，環(huán)保節(jié)能，操作方便。

5）在船上采用LPG 的雙燃料系統(tǒng)改造，VLGC 系列船是全球首次應(yīng)用，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計和研究表明：該系統(tǒng)具有合理性、經(jīng)濟性和很強的環(huán)保性，適用于目前大型運輸高耗油船舶。雖然LNG 船用燃料系統(tǒng)設(shè)計已經(jīng)成熟應(yīng)用，但伴隨LPG 產(chǎn)量越來越大，而改造條件又相對于LNG燃料要寬松便利和容易實施，基于LPG 的雙燃料系統(tǒng)必然會應(yīng)用越來越廣泛，如何滿足國際海事組織、船東、船級社更精細(xì)化的要求，并結(jié)合全球綠色清潔能源供求趨勢的變化來進(jìn)一步研究是未來發(fā)展方向。